Электромагнитный линейный двигатель

 

Использование: в электромагнитных исполнительных устройствах в качестве линейного электропривода. Устройство содержит электромагнит в виде плоской катушки со щелевым воздушным зазором и двух плоских ферромагнитных сердечников, а также ведомое звено, направляющие с упорами и стопорные элементы. Катушка установлена с расположением щелевого зазора в вертикальной плоскости и горизонтальной ориентацией продольной оси. Ферромагнитные сердечники выполнены в виде дисков и с помощью стержней и втулок подвешены на общей горизонтальной оси с возможностью вращения относительно оси и свободного смещения вдоль оси друг относительно друга, образуя собой физические маятники. Ось подвеса маятников размещена за пределами катушки вблизи одного из ее торцов перпендикулярно плоскости щелевого зазора. Ведомое звено выполнено в виде немагнитной пластины, свободно размещенной в щелевом воздушном зазоре катушки и между обращенными друг к другу плоскостями ферромагнитных сердечников, имеющей на боковых гранях стопорные элементы, контактирующие с упорами направляющих. Технический результат заключается в уменьшении потребления электроэнергии и упрощении конструкции. 2 ил.

Изобретение относится к электромагнитным исполнительным устройствам и может быть использовано в качестве линейного электропривода.

Известен линейный электродвигатель, содержащий источник магнитного поля с полюсами, подвижный гофрированный упругий элемент с жестко закрепленной на нем обмоткой, размещенной между полюсами источника, а также ведомое звено, выполненное в виде стержня, установленного с натягом между гофрами упругого элемента /см. а.с. СССР N 1365275, кл. H 02 K 33/10, 41/03, 1988 г./.

Недостатками известного устройства являются сложность конструкции и сравнительно низкое тяговое усилие.

Известен также электромагнитный линейный двигатель, содержащий два электромагнита с катушками, якорями и магнитопроводами с фиксаторами, взаимодействующими с зубчатой рейкой, причем один электромагнит расположен внутри другого, а якорь каждого электромагнита жестко связан с магнитопроводом другого /см. а.с. СССР N 957366, кл. H 02 K 41/03, 1982 г./.

Недостатками данного двигателя являются сложность конструкции, значительные вес и габариты, а также значительное потребление электроэнергии вследствие необходимости перемещения в процессе работы всего электродвигателя.

Кроме того, известны электромагнитные измерительные механизмы, содержащие плоскую катушку со щелевым воздушным зазором и два плоских ферромагнитных сердечника, размещенных в щелевом зазоре и эксцентрично укрепленных на поворотной оси /см. Фремке А.В. Электрические измерения. - Л.: Энергия, 1973, с. 71 - 73/.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является электромагнитный линейный двигатель, содержащий электромагнит в виде корпуса со стопорными элементами, входящими в зацепление с упорами направляющих, цилиндрического магнитопровода, катушки возбуждения с воздушным зазором и ферромагнитного сердечника, установленного в зазоре и соединенного с помощью стержней и пружины сжатия с ограничителем перемещения и фланцем /см. а.с. СССР N 1483563, кл. H 02 K 41/03, 1987 г./, принятый за прототип.

Недостатками устройства-прототипа являются сложность конструкции вследствие необходимости перемещения за два такта с поочередной фиксацией фланца и корпуса, а также значительное потребление электроэнергии вследствие необходимости перемещения в процессе работы большой массы всего двигателя вместе с корпусом.

Сущность изобретения заключается в создании электромагнитного линейного двигателя, в котором однонаправленное интенсивное движение ведомого звена создается за счет обеспечения жесткого контакта с помощью магнитных сил ведомого звена с ферромагнитными сердечниками в рабочие полупериоды движения сердечников, и разрыва этого контакта за счет действия сил тяжести ферромагнитных сердечников в нерабочие полупериоды движения.

Технический результат - упрощение конструкции и снижение потребления электроэнергии.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном электромагнитном линейном двигателе, содержащем электромагнит в виде плоской катушки со щелевым воздушным зазором и двух плоских ферромагнитных сердечников, а также ведомое звено, направляющие с упорами и стопорные элементы, особенность заключается в том, что катушка установлена с расположением щелевого зазора в вертикальной плоскости и горизонтальной ориентацией продольной оси, ферромагнитные сердечники выполнены в виде дисков и с помощью стержней и втулок подвешены на общей горизонтальной оси с возможностью вращения относительно оси и свободного смещения вдоль оси относительно друг друга, образуя собой физические маятники, при этом ось подвеса маятников размещена за пределами катушки вблизи одного из ее торцов перпендикулярно плоскости щелевого зазора, а ведомое звено выполнено в виде немагнитной пластины, свободно размещенной в щелевом воздушном зазоре катушки и между обращенными друг к другу плоскостями ферромагнитных сердечников, имеющей на боковых гранях стопорные элементы, контактирующие с упорами направляющих.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 схематично изображен предлагаемый двигатель, продольный разрез; на фиг. 2 - вид слева на фиг. 1.

Электромагнитный линейный двигатель содержит электромагнит в виде плоской катушки 1, состоящей из каркаса 2 с обмоткой возбуждения 3, со щелевым воздушным зазором 4 и двух плоских ферромагнитных сердечников 5, 6, а также ведомое звено 7, направляющие 8 с упорами 9 и подпружиненные стопорные элементы 10, причем плоская катушка 1 установлена с расположением щелевого зазора 4 в вертикальной плоскости и горизонтальной ориентацией продольной оси, ферромагнитные сердечники 5, 6 выполнены в виде дисков и с помощью стержней 11, 12 и втулок 13, 14 подвешены на общей горизонтальной оси 15 с возможностью вращения относительно оси 15 и свободного смещения вдоль оси 15 друг относительно друга, образуя собой физические маятники. При этом ось 15 подвеса физических маятников размещена за пределами катушки 1 вблизи одного из ее торцов перпендикулярно плоскости щелевого зазора 4 и прикреплена к торцу катушки 1 с помощью винтов 16, а ведомое звено 7 выполнено в виде немагнитной пластины, свободно размещенной в щелевом воздушном зазоре 4 катушки 1 и между обращенными друг к другу плоскостями ферромагнитных сердечников 5, 6, имеющей на боковых гранях подпружиненные стопорные элементы 10, контактирующие с упорами 9 на направляющих 8.

Работа двигателя осуществляется следующим образом.

При выключенной обмотке 3 катушки 1 ферромагнитные сердечники 5, 6 /физические маятники/ свободно под действием сил тяжести занимают вертикальное положение и не прижаты к пластине 7 /см. фиг. 1 и фиг. 2/. При включении обмотки 3, то есть подаче в нее импульса тока, ферромагнитные сердечники 5, 6, находясь с торца катушки 1, стремятся максимально перекрыть щелевой зазор 4, обеспечивая магнитному потоку, огибающему с торцов катушку 1 и входящему в зазор 4, минимальное магнитное сопротивление. При этом ферромагнитные сердечники 5, 6 стремятся прижаться друг к другу, плотно зажимая пластину 7, втулки 13, 14 смещаются навстречу друг другу по оси подвеса 15. Но одновременно с этим сердечники 5, 6, укрепленные на стержнях 11, 12 и втулках 13, 14, поворачиваются вокруг оси 15 /как показано пунктиром на фиг. 1/ до упора торцами сердечников в торец катушки 1 /в щелевой зазор 4 сердечники 5, 6 за счет своей толщины войти не могут/. Такой поворот сердечников 5, 6 при одновременном зажатии ими пластины 7 /трение дисков 5, 6 о пластину 7 велико/ обуславливает смещение пластины 7 вправо. Так как угол поворота физических маятников довольно мал, то при сравнительно большой длине стержней 11, 12 тяговое усилие, прикладываемое к пластине 7 со стороны сердечников 5, 6, практически можно считать направленным по прямой вправо, за счет чего нагрузка на направляющие 8 в поперечном направлении незначительна. При выключении тока притяжение дисков 5, 6 друг к другу, а следовательно, их давление на пластину 7 исчезает, при этом силы трения между дисками 5, 6 и пластиной 7 минимальны, и диски 5, 6 опять поворачиваются влево в вертикальное положение, а пластина 7 остается в смещенном вправо состоянии. В результате при подаче в катушку 1 последовательных импульсов тока любой полярности пластина 7 /ведомое звено/ получает направленное поступательное перемещение вправо. При этом за счет взаимодействия упоров 9 направляющих 8 с подпружиненными стопорными элементами 10 на боковых гранях пластины 7 обеспечивается поступательное движение пластины 7 с необходимой дискретностью позиционирования, то есть движение в шаговом режиме /данный вопрос подробно описан в известных конструкциях/. На фиг. 1 во избежание загромождения рисунка показаны только направляющие с правой стороны катушки 1.

Очевидно, что предложенный двигатель отличается предельной простотой конструкции, а также регулировки и эксплуатации. При подборе соответствующих электромеханических параметров за счет значительных усилий втягивания сердечников 5, 6 и зажатия ими пластины 7 можно легко добиться значительных тяговых усилий и большого диапазона перемещений. Так как подвижным элементом здесь является не весь двигатель в корпусе как в известных вышеописанных конструкциях, а только пластина 7, то масса подвижной части мала, что позволяет снизить потребление электроэнергии на движение. Согласно принципу работы в двигателе исключены двойные циклы, когда, например, в первый полупериод движения часть двигателя /один магнитопровод с якорем/ смещается, второй магнитопровод - неподвижно фиксируется, а во второй полупериод движения - наоборот. За счет этого удалось повысить надежность двигателя, упростить конструкцию, уменьшить массу и габариты. Обеспечение в нерабочие полуциклы возврата ферромагнитных сердечников в исходное положение за счет сил их собственной тяжести, а не сил упругости пружин также позволило предельно упростить конструкцию устройства и повысить его надежность.

Формула изобретения

Электромагнитный линейный двигатель, содержащий электромагнит в виде плоской катушки со щелевым воздушным зазором и двух плоских ферромагнитных сердечников, а также ведомое звено, направляющие с упорами и стопорные элементы, отличающийся тем, что катушка установлена с расположением щелевого зазора в вертикальной плоскости и горизонтальной ориентацией продольной оси, ферромагнитные сердечники выполнены в виде дисков и с помощью стержней и втулок подвешены на общей горизонтальной оси с возможностью вращения относительно оси и свободного смещения вдоль оси друг относительно друга, образуя собой физические маятники, при этом ось подвеса маятников размещена за пределами катушки вблизи одного из ее торцов перпендикулярно плоскости щелевого зазора, а ведомое звено выполнено в виде немагнитной пластины, свободно размещенной в щелевом воздушном зазоре катушки и между обращенными друг к другу плоскостями ферромагнитных сердечников, имеющей на боковых гранях стопорные элементы, контактирующие с упорами направляющих.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2